CN214799423U - 一种超宽带低电流驱动放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超宽带低电流驱动放大器，其包括信号输入端、信号输出端、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输入匹配单元、输出匹配单元；其中信号输入端、输入匹配单元、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输出匹配单元及信号输出端依次相连；还包括位于共源共栅放大单元和电流复用放大单元之间的级间匹配单元、位于输入匹配单元和级间匹配单元之间的第一反馈电路、以及位于级间匹配单元和输出匹配单元之间的第二反馈电路。本实用新型一方面系统功耗小，另一方面兼顾了驱动放大器的高增益和稳定性能，便于长期使用且可靠性高，便于集成在系统中级联使用，有利于芯片小型化设计。

Description

一种超宽带低电流驱动放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，特别涉及一种驱动放大器。

背景技术

驱动放大器是发射机系统中不可或缺的一部分，在发射机系统中，处理后的中频信号经过混频器后会产生射频信号，混频器输出的射频信号通常信号强度很弱，因此需要驱动放大器对信号进行预放大，以使最后的功率放大器能达到必要的输出功率等级，通过天线完成信息发射。

因此驱动放大器的带宽、功耗以及足够的增益是其至关重要的指标。

现有技术中基于GaAs pHEMT工艺的驱动放大器，其结构一般是普通的级联Cascade结构。这类结构的驱动放大器的设计比较常见，但是级联Cascade结构若想实现低功耗，必须要减少放大器级数或减小晶体管尺寸，前者会使增益降低，后者会使影响低频段的稳定性，使匹配变得更加困难。

因此超宽带驱动放大器如何在放大器结构上进行谨慎的选择和优化，是亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供了一种超宽带低电流驱动放大器。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种超宽带低电流驱动放大器，其包括信号输入端、信号输出端、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输入匹配单元、输出匹配单元；

其中信号输入端、输入匹配单元、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输出匹配单元及信号输出端依次相连；

还包括位于共源共栅放大单元和电流复用放大单元之间的级间匹配单元、位于输入匹配单元和级间匹配单元之间的第一反馈电路、以及位于级间匹配单元和输出匹配单元之间的第二反馈电路。

优选的，所述共源共栅放大单元包括晶体管PHEMT1和晶体管PHEMT2；所述电流复用放大单元包括晶体管PHEMT3；

所述输入匹配单元的一端与信号输入端相连，晶体管PHEMT1的栅极与输入匹配单元的另一端相连，晶体管PHEMT1的源极与自偏置电路的一端相连；

晶体管PHEMT1的漏极通过电感L3与晶体管PHEMT2的源极相连；

晶体管PHEMT2的栅极与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地；晶体管PHEMT2的漏极与级间匹配单元的一端相连。

进一步优选的，所述自偏置电路包括并联连接的电阻R1和电容C2，自偏置电路的另一端接地；和/或

所述第一反馈电路包括串联连接的电容C3和电阻R12；第一反馈电路的一端与晶体管PHEMT1的栅极相连，另一端与晶体管PHEMT2的漏极相连；和/或

所述第二反馈电路包括串联连接的电阻R2、电容C6和电感L7；第二反馈电路的一端与晶体管PHEMT3的栅极相连，另一端与晶体管PHEMT3的漏极相连。

优选的，所述晶体管PHEMT3的栅极与级间匹配单元的另一端相连；晶体管PHEMT3的源极与电流复用电路相连；晶体管PHEMT3的漏极与输出匹配单元的一端相连；输出匹配单元的另一端与信号输出端相连。

作为优选的，所述输入匹配单元包括电容C1、电感L1和电感L2；

电容C1的一端与信号输入端相连，另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与晶体管PHEMT1的栅极相连；

电感L1的一端与电容C1的另一端相连，电感L1的另一端接地。

作为优选的，所述级间匹配单元包括主要由电感L4、电感L5和电容C5组成的T型匹配网络；

电感L4的一端与晶体管PHEMT2的漏极相连，另一端与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与晶体管PHEMT3的栅极相连；

电感L5的一端与电感L4的另一端相连，电感L5的另一端接地。

作为优选的，所述输出匹配单元包括电阻R4、电感L8、电容C8和电容C9；

其中电容C8的一端与PHEMT3的漏极相连，另一端与信号输出端相连；

电感L8的一端与PHEMT3的漏极相连，另一端连接直流偏置电压VD；

电阻R4的一端与电感L8的另一端相连，电阻R4的另一端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端接地。

进一步优选的，所述电流复用电路包括电阻R3、电感L6和电容C7；

其中电阻R3的一端与晶体管PHEMT3的源极相连，另一端与电容C7的一端相连，电容C7的另一端接地；

电感L6的一端与晶体管PHEMT3的源极相连，另一端与电容C5的一端相连。

作为优选的，还包括电阻分压电路，该电阻分压电路包括电阻R5、电阻R8和电阻R10；

其中电阻R5的一端连接直流偏置电压VD，另一端与电阻R8的一端连接；电阻R8的另一端与电阻R10的一端连接；电阻R10的另一端接地。

进一步优选的，还包括电阻R6、电阻R11、电阻R7、电容C10、电阻R9和电容C11；

其中电阻R6的一端，与电阻R5和电阻R8之间的连接点相连；电阻R6的另一端与晶体管PHEMT3的栅极相连；

电阻R7的一端，与电阻R5和电阻R8之间的连接点相连；电阻R7的另一端与电容C10的一端相连，电容C10的另一端接地；

其中电阻R11的一端，与电阻R8和电阻R10之间的连接点相连；电阻R11的另一端与晶体管PHEMT2的栅极相连；

电阻R9的一端，与电阻R8和电阻R10之间的连接点相连；电阻R9的另一端与电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地。

有益效果：本实用新型提供的超宽带低电流驱动放大器，可以集成在基于GaAspHEMT工艺的射频前端发射系统中，形成单片发射系统，一方面系统功耗小，在实现低功耗的同时，兼顾了驱动放大器的高增益和稳定性能，便于长期使用且可靠性高；另一方面大大减小系统体积，非常方便集成在系统中级联使用，有利于芯片小型化设计。

本实用新型提供的超宽带低电流驱动放大器，可在6GHz-20GHz的超宽频段内实现19-21dB的高增益；同时该超宽带低电流驱动放大器在全频带内可以实现绝对稳定状态，不需要在芯片外部额外设计稳定性匹配电路；该超宽带低电流驱动放大器的直流功耗可低达75mW；该超宽带低电流驱动放大器在6GHz-20GHz的频段内的输入输出驻波低于-10dB。

进一步的，基于本实用新型提供的结构和构造，该超宽带低电流驱动放大器的尺寸可做到1300um×650um甚至更小，非常方便集成在系统中级联使用。

附图说明

图1是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的电路结构原理框图；

图2是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的增益特性的仿真结果示意图；

图3是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的输入驻波特性的仿真结果示意图；

图4是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的输出驻波特性的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施列对本实用新型不构成限定。

本实施例提供的一种超宽带低电流驱动放大器，如图1所示，其包括：信号输入端、信号输出端、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输入匹配单元、输出匹配单元；

其中信号输入端、输入匹配单元、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输出匹配单元及信号输出端依次相连；

还包括位于共源共栅放大单元和电流复用放大单元之间的级间匹配单元、位于输入匹配单元和级间匹配单元之间的第一反馈电路、以及位于级间匹配单元和输出匹配单元之间的第二反馈电路。

本实施例中，上述共源共栅放大单元包括晶体管PHEMT1和晶体管PHEMT2。

所述输入匹配单元的一端与信号输入端相连，晶体管PHEMT1的栅极与输入匹配单元的另一端相连。晶体管PHEMT1的源极与自偏置电路的一端相连；本实施例中，自偏置电路包括并联连接的电阻R1和电容C2，自偏置电路的另一端接地。在这一结构构造下，晶体管PHEMT1源极自偏置电路由电阻R1和电容C2并联到地构成，电阻R1起到为晶体管PHEMT1提供源极正电压的作用，电容C2为射频信号提供接地回路。

晶体管PHEMT1的漏极通过电感L3与晶体管PHEMT2的源极相连。也即：晶体管PHEMT1的漏极与电感L3的一端相连，电感L3的另一端与晶体管PHEMT2的源极相连。

晶体管PHEMT2的栅极与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地。晶体管PHEMT2的漏极与级间匹配单元的一端相连。

在某些实施例中，上述第一反馈电路包括串联连接的电容C3和电阻R12；第一反馈电路的一端与晶体管PHEMT1的栅极相连，另一端与晶体管PHEMT2的漏极相连。该实施例提供的第一反馈电路的这一结构构造，可以保证低频稳定的同时实现平坦的增益响应。在该实施例中，具体的，电容C3的一端与晶体管PHEMT1的栅极相连，电容C3的另一端与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与晶体管PHEMT2的漏极相连。

本实施例中，上述电流复用放大单元包括晶体管PHEMT3。晶体管PHEMT3的栅极与级间匹配单元的另一端相连。晶体管PHEMT3的源极与电流复用电路相连。晶体管PHEMT3的漏极与输出匹配单元的一端相连；输出匹配单元的另一端与信号输出端相连。

本实施例中，上述级间匹配单元包括主要由电感L4、电感L5和电容C5组成的T型匹配网络。

其中电感L4的一端与晶体管PHEMT2的漏极相连，电感L4的另一端与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与晶体管PHEMT3的栅极相连。其中晶体管PHEMT2的漏极通过与电感L4的一端相连，实现晶体管PHEMT2的漏极与级间匹配单元的一端相连；晶体管PHEMT3的栅极通过与电容C5的另一端相连，实现晶体管PHEMT3的栅极与级间匹配单元的另一端相连；

电感L5的一端与电感L4的另一端相连，电感L5的另一端接地。也即：电感L5的一端与电感L4和电容C5之间的连接点相连，电感L5的另一端接地。级间匹配单元的这一结构构造，可在保证工作频段的性能前提下，尽量压制带外杂波，保证信号的完整性。

其中：电流复用电路包括电阻R3、电感L6和电容C7；其中电阻R3的一端与晶体管PHEMT3的源极相连，另一端与电容C7的一端相连，电容C7的另一端接地；电感L6的一端与晶体管PHEMT3的源极相连，另一端与电容C5的一端相连。也可以说是：电感L6的另一端，与电感L4和电容C5之间的连接点相连。在这一结构构造下，电流复用电路为PHEMT3的源极提供偏置电压，晶体管PHEMT3的源极射频到地回路由电阻R3和电容C7串联到地结构提供，而其源极直流电压则等于晶体管PHEMT2的漏极电压，因此从直流来看，PHEMT3的漏极电流IDS经由电感L6、电感L4至晶体管PHEMT2的漏极，即晶体管PHEMT2与晶体管PHEMT3共享同一漏极偏置电流，实现了直流电流的复用，降低了功耗；又由于晶体管PHEMT2的直流漏极电流会流经电感L3到达晶体管PHEMT1的漏极，因此晶体管PHEMT1与晶体管PHEMT2构成的共源共栅结构也共享同一漏极偏置电流。因此，晶体管PHEMT1、晶体管PHEMT2和晶体管PHEMT3三者共享同一漏极偏置电流，所以其功耗相当于大约传统三级级联结构的1/3，节能环保。

在某些实施例中，上述输入匹配单元包括电容C1、电感L1和电感L2；

电容C1的一端与信号输入端相连(也即实现：输入匹配单元的一端与信号输入端相连)，另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与晶体管PHEMT1的栅极相连(也即实现：晶体管PHEMT1的栅极与输入匹配单元的另一端相连)；

电感L1的一端与电容C1的另一端相连，电感L1的另一端接地。也即：所述电感L1的一端与电容C1和电感L2之间的连接点相连，电感L1的另一端接地。这一结构构造下，电容C1起到隔直流作用，电感L1和电感L2为高通滤波结构，三者共同作用可以滤除低频杂波并保证全频带内驱动放大器处于绝对稳定状态。

在某些实施例中，上述输出匹配单元包括电阻R4、电感L8、电容C8和电容C9；

其中电容C8的一端与PHEMT3的漏极相连(也即实现：晶体管PHEMT3的漏极与输出匹配单元的一端相连)，另一端与信号输出端相连(也即实现：输出匹配单元的另一端与信号输出端相连)；

电感L8的一端与PHEMT3的漏极相连，另一端连接直流偏置电压VD；

电阻R4的一端与电感L8的另一端相连，电阻R4的另一端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端接地。该输出匹配单元的结构构造中，电感L8的作用为阻隔信号通过并提供直流偏置，电阻R4与电容C9的串联到地结构可以提供射频到地回路，电容C8主要是起到隔直作用。

在某些实施例中，上述第二反馈电路包括串联连接的电阻R2、电容C6和电感L7；第二反馈电路的一端与晶体管PHEMT3的栅极相连，另一端与晶体管PHEMT3的漏极相连。该实施例提供的第二反馈电路的这一结构构造，可以保证低频稳定的同时实现平坦的增益响应。在该实施例中，具体的，电阻R2的一端与晶体管PHEMT3的栅极相连，电阻R2的另一端与电容C6的一端相连，电容C6的另一端与电感L7的一端相连，电感L7的另一端与晶体管PHEMT3的漏极相连。

本实施例提供的超宽带低电流驱动放大器，如图1所示，还包括电阻分压电路，该电阻分压电路包括电阻R5、电阻R8和电阻R10；其中电阻R5的一端连接直流偏置电压VD，另一端与电阻R8的一端连接；电阻R8的另一端与电阻R10的一端连接；电阻R10的另一端接地。本实施例中，通过电阻分压电路分压出来的节点电压为PHEMT2和PHEMT3的栅极提供偏置电压。

本实施例中，具体的，直流偏置电压VD的正极分别与电阻R5的一端、电阻R4的一端、以及电感L8的另一端相连；直流偏置电压VD的负极接地。

本实施例提供的超宽带低电流驱动放大器，如图1所示，还包括电阻R6、电阻R11、电阻R7、电容C10、电阻R9和电容C11；

其中电阻R6的一端，与电阻R5和电阻R8之间的连接点相连；电阻R6的另一端与晶体管PHEMT3的栅极相连，其作用是提供高阻状态，隔绝信号，并使直流供电作用到晶体管PHEMT3的栅极。

电阻R7的一端，与电阻R5和电阻R8之间的连接点相连；电阻R7的另一端与电容C10的一端相连，电容C10的另一端接地，基于此结构构造，可以有效消除供电电路上的高频杂波，保证放大器的稳定状态。

其中电阻R11的一端，与电阻R8和电阻R10之间的连接点相连；电阻R11的另一端与晶体管PHEMT2的栅极相连，其作用是提供高阻状态，隔绝信号，并使直流供电作用到晶体管PHEMT2的栅极。

电阻R9的一端，与电阻R8和电阻R10之间的连接点相连；电阻R9的另一端与电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地，基于此结构构造，可以有效消除供电电路上的高频杂波，保证放大器的稳定状态。

文中所述“/”表示或。文中所述PHEMT，亦可称为pHEMT。

本实用新型提供的超宽带低电流驱动放大器，可在6GHz-20GHz的超宽频段内实现20dB的高增益；同时该超宽带低电流驱动放大器在全频带内可以实现绝对稳定状态，不需要在芯片外部额外设计稳定性匹配电路；该超宽带低电流驱动放大器的直流功耗可低达75mW；该超宽带低电流驱动放大器在6GHz-20GHz的频段内的输入输出驻波低于-10dB。

进一步的，基于本发明提供的结构和构造，该超宽带低电流驱动放大器，基于0.15um GaAs pHEMT工艺制成单片微波集成电路时，尺寸可做到1300um×650um甚至更小，非常方便集成在系统中级联使用，有利于芯片小型化设计。

将上述实施例提供的超宽带低电流驱动放大器，可基于0.15um GaAs pHEMT工艺制成单片微波集成电路，芯片布局为左端输入，右端输出，直流偏置电压VD在上侧，芯片采用单5V直流偏压，其正常工作电流为15mA，芯片尺寸为1300um×650um，选用带宽6GHz-20GHz进行仿真实验：

图2是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的增益特性的仿真结果示意图，其中：横坐标为频率，单位是GHz；纵坐标为增益，单位是dB。由图2可见，在6GHz-20GHz的频率范围内，该超宽带低电流驱动放大器的典型增益为19-21dB。

图3是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的输入驻波特性的仿真结果示意图，其中：横坐标为频率，单位是GHz；纵坐标为输入驻波，单位是dB。由图3可见，在6GHz-20GHz的频率范围内，该超宽带低电流驱动放大器的典型输入驻波＜-10dB。

图4是实施例提供的超宽带低电流驱动放大器的输出驻波特性的仿真结果示意图，其中：横坐标为频率，单位是GHz；纵坐标为输出驻波，单位是dB。由图4可见，在6GHz-20GHz的频率范围内，该超宽带低电流驱动放大器的输出驻波＜-10dB。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出以上实施列对本实用新型不构成限定，相关工作人员在不偏离本实用新型技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：包括信号输入端、信号输出端、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输入匹配单元、输出匹配单元；

其中信号输入端、输入匹配单元、共源共栅放大单元、电流复用放大单元、输出匹配单元及信号输出端依次相连；

还包括位于共源共栅放大单元和电流复用放大单元之间的级间匹配单元、位于输入匹配单元和级间匹配单元之间的第一反馈电路、以及位于级间匹配单元和输出匹配单元之间的第二反馈电路。

2.如权利要求1所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述共源共栅放大单元包括晶体管PHEMT1和晶体管PHEMT2；所述电流复用放大单元包括晶体管PHEMT3；

所述输入匹配单元的一端与信号输入端相连，晶体管PHEMT1的栅极与输入匹配单元的另一端相连，晶体管PHEMT1的源极与自偏置电路的一端相连；

晶体管PHEMT1的漏极通过电感L3与晶体管PHEMT2的源极相连；

晶体管PHEMT2的栅极与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地；晶体管PHEMT2的漏极与级间匹配单元的一端相连。

3.如权利要求2所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述自偏置电路包括并联连接的电阻R1和电容C2，自偏置电路的另一端接地；和/或

所述第一反馈电路包括串联连接的电容C3和电阻R12；第一反馈电路的一端与晶体管PHEMT1的栅极相连，另一端与晶体管PHEMT2的漏极相连；和/或

所述第二反馈电路包括串联连接的电阻R2、电容C6和电感L7；第二反馈电路的一端与晶体管PHEMT3的栅极相连，另一端与晶体管PHEMT3的漏极相连。

4.如权利要求2所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述晶体管PHEMT3的栅极与级间匹配单元的另一端相连；晶体管PHEMT3的源极与电流复用电路相连；晶体管PHEMT3的漏极与输出匹配单元的一端相连；输出匹配单元的另一端与信号输出端相连。

5.如权利要求2所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述输入匹配单元包括电容C1、电感L1和电感L2；

电容C1的一端与信号输入端相连，另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与晶体管PHEMT1的栅极相连；

电感L1的一端与电容C1的另一端相连，电感L1的另一端接地。

6.如权利要求2所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述级间匹配单元包括主要由电感L4、电感L5和电容C5组成的T型匹配网络；

电感L4的一端与晶体管PHEMT2的漏极相连，另一端与电容C5的一端相连，电容C5的另一端与晶体管PHEMT3的栅极相连；

电感L5的一端与电感L4的另一端相连，电感L5的另一端接地。

7.如权利要求2所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述输出匹配单元包括电阻R4、电感L8、电容C8和电容C9；

其中电容C8的一端与PHEMT3的漏极相连，另一端与信号输出端相连；

电感L8的一端与PHEMT3的漏极相连，另一端连接直流偏置电压VD；

电阻R4的一端与电感L8的另一端相连，电阻R4的另一端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端接地。

8.如权利要求4所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：所述电流复用电路包括电阻R3、电感L6和电容C7；

其中电阻R3的一端与晶体管PHEMT3的源极相连，另一端与电容C7的一端相连，电容C7的另一端接地；

电感L6的一端与晶体管PHEMT3的源极相连，另一端与电容C5的一端相连。

9.如权利要求7所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：还包括电阻分压电路，该电阻分压电路包括电阻R5、电阻R8和电阻R10；

其中电阻R5的一端连接直流偏置电压VD，另一端与电阻R8的一端连接；电阻R8的另一端与电阻R10的一端连接；电阻R10的另一端接地。

10.如权利要求9所述的超宽带低电流驱动放大器，其特征在于：还包括电阻R6、电阻R11、电阻R7、电容C10、电阻R9和电容C11；

其中电阻R6的一端，与电阻R5和电阻R8之间的连接点相连；电阻R6的另一端与晶体管PHEMT3的栅极相连；

电阻R7的一端，与电阻R5和电阻R8之间的连接点相连；电阻R7的另一端与电容C10的一端相连，电容C10的另一端接地；

其中电阻R11的一端，与电阻R8和电阻R10之间的连接点相连；电阻R11的另一端与晶体管PHEMT2的栅极相连；

电阻R9的一端，与电阻R8和电阻R10之间的连接点相连；电阻R9的另一端与电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地。

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